第三章 流量测量
一、流量的定义
所谓“流量”是在单位时间内流体通过管道某截面流体的
体积或质量, 前者称为体积流量, 后者称为质量流量.
累积流量是指在某一段时间内流量管道流体的总和。
习惯上把测量流量的仪表叫流量计, 而把测量累积流量
的仪表称为计量表。
流量测量单位是导出单位, 常用m3/s、m3/h（体积流
量）和kg/s、kg/h（质量流量）等表示。 而累积流量
单位常用m3和kg等表示。
二、流量测量仪表的分类
流量计按用途可分为计量表与流量计两大类。在实
际工程计量中最常用的是根据所应用的原理来分类, 大
体可分为容积式流量计、速度式流量计、差压式流量计、
流体阻力式流量计、测速式流量计和流体振动式流量计。
差压式流量计
差压式流量测量方法，是根据伯努利方程提供的基本原
理，通过测量流体差压信号来反映流体流量的测量方法。
差压式流量计是由将被测流体的流量转换成压差信号的
节流装置、压力信号传输管道和用来测量差压的差压计
组成。
标准孔板、喷嘴、文丘利喷嘴、文丘利管
标准孔板可采用角接取压、法兰取压
标准喷嘴采用角接取压
使用标准节流装置时，流体的性质和状态必须满足下
列条件：
①流体必须充满管道和节流装置，并连续地流经管道
②流体必须是牛顿流体，即在物理上和热力学上是均
匀的、单相的，在气体中有不大于2％(质量成分)均匀
分散的固体微粒，或液体中有不大于5％(体积成分)均
匀分散的气泡，也可认为是单相流体．但其密度应取
平均密度．
③流体流经节流件时不发生相交．
④流体流量不随时间变化或变化非常缓慢．
⑤流体在流经节流件以前，流束是平行于管道轴线的
无旋流。
标准节流装置不适用于脉动流和临界流的流量测量。
差压式流量计工作原理及流量基本公式
适用于可压缩流体及
不可压缩流体
“相”可指不同的热力学集态（如固、液、
气等不同物态），也可指同一集态下不同
的物理性质或力学状态（如同一地点不同
尺寸和速度或不同材料密度的颗粒或气泡
等）。多相流的流场需用两组或两组以上
流体力学和热力学参量（如速度、压强、
温度、质量和组分浓度等）来描述。只需
用两组参量描述的混合物流动称两相流动
，常见的有气-液流动、气-固流动和液-
固流动。
容积式流量计
容积式流量计又称排量流量计(positive displacement
flowmeter), 简称PD流量计或PDF, 在流量仪表中是精
度最高的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断
地分割成单个已知的体积部分, 根据计量室逐次、重复
地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流量体积
总量。PD流量计一般不具有时间基准, 为得到瞬时流量
值需要另外附加测量时间的装置。
一、容积式流量计的分类
1. 椭圆齿轮流量计
2. 腰轮流量计(又称罗茨流量计)
3. 活塞式式流量计 活塞受被测介质推动在气缸中往
复运动, 每往复一次送出一定量介质, 主要用于测量较
低粘度的油类, 可以测量很小的流量。
4. 刮板式流量计 在它的偏心转子上安装有刮板, 在
转子旋转时由刮板与外壳间构成固定容积将介质送出
流量计,再根据转子的转数确定总量。
二、测量原理
容积式流量计从原理上讲是一台从流体中吸收少
量能量的水力发动机, 这个能量用来克服流量检测元件
和附件转动的摩擦力, 同时在仪表流入与流出两端形成
压力降。
典型的容积式流量计( 椭圆齿轮流量计)的工作原
理如图1所示。两个椭圆齿轮具有相互滚动进行接触旋
转的特殊形状。P1和P2分别表示入口压力和出口压力,
显然P1>P2, 图1(a)下方齿轮在两侧压力差的作用下,
产生逆时针方向旋转,为主动轮;上方齿轮因两侧压力相
等, 不产生旋转力矩, 是从动轮, 由下方齿轮带动, 顺时
针方向旋转。在图1(b)位置时, 两个齿轮均在差压作用
下产生旋转力矩, 继续旋转。选装到图1(c)位置时, 上
方齿轮变为主动轮, 下方齿轮则成为从动轮, 继续旋转到
与图1(a)相同位置, 完成一个循环。一次循环动作排出四
个由齿轮与壳壁间围成的新月形空腔的流体体积, 该体积
称作流量计的“循环体积”。
椭圆齿轮的转动通过磁性密封联轴器及传动减速机
构传递给计数器直接指示出流经流量计的总量。若附加
发送装置后, 再配以电显示仪表可实现远传只是瞬时流量
或累积流量。
虽然有许多分割方法形成各种形式的容积式流量计,
但大部分都有相似的基本特征。容积式流量计产生误差
的主要原因是分割单个流体体积的活动测量件和静止测
量室之间的缝隙泄漏量所形成。产生泄漏的原因之一是
为克服活动件摩阻力；之二是受仪表水力学阻力形成压
力降的作用。
转子流量计
转子流量计具有结构简单、使用方便、
价格便宜、量程比大、刻度均匀、直观性
好等特点，可测量各种液体和气体的体积
流量，并将所测得的流量信号就地显示或
变成标准的电信号或气信号远距离传送。
转子流量计主要由转子（浮子）、锥
形管及支撑连接部分组成。
质量流量计
柯氏质量流量计的原理，实质是利用一个弹性体的共
振特性：流体流动和无流体流动的振动（在共振区附
近）的金属管元件，测定其动态响应特性，求出此谐
振系统的相位差（时间差）与质量流量之间的关系。
流体在其内以速度V从A流向B，将此管置于以角速度ω
旋转的系统中。设旋转轴为X，与管的交点为O，由于
管内流体质点在轴向以速度V、在径向以角速度ω运动，
此时流体质点受到一个切向科氏力Fc。这个力作用在
测量管上，在O点两边方向相反，大小相同， 因
此，直接或间接测量在旋转管道中流动的流体所产生
的科氏力就可以测得质量流量。这就是科里奥利质量
流量计的基本原理。
S形测量管质量流量计
如图3所示，这种流量计的测量系统由两根平行的S形
测量管、驱动器和传感器组成。管的两端固定，管的
中心部位装有驱动器，使管子振动。在测量管对称位
置上装有传感器，在这两点上测量振动管之间的相对
位移。质量流量与这两点测得的振荡频率的相位差成
正比。
图4 无流动时位移传感器的输出
由图中可以看出，两传感器测得的相位差为零。当测量管内
流体以速度V流动时，流体中任意值点的流速，可认为是两
个分流速的合成：水平方向Vx及垂直方向Vy（与振动方向相
同）。在恒定流条件下，流体沿水平方向的流速Vx保持恒定。
从图5中可以看出，管子的进、出口处振幅为零，流体质点
垂直移动速度Vx为零；
当流体质点有进口流入图示振动方向的测量管时，流
体质点的垂直流动速度为+Vy，同样在流体质点流向
出口时，其垂直流动速度为-Vy。由此可以推出，流体
质点在通过振动的测量管时，垂直方向的速度是一个
从零逐渐加大，直到中间最大，再逐渐减小到零的过
程。由力学原理可知，速度的变化是由加速度引起的，
而加速度是力作用于其上的结果。根据这个原理，称
这个垂直速度变化为科氏加速度Ac，因此作用于流体
质量M上的科氏力为Fc＝Mac。在测量管上与中心距离
相等的两点上，作用的科氏力大小相等，方向相反。
在测量管上与中心距离相等的两点上，作用的科氏力
大小相等，方向相反。
此科氏力作用在测量管上，就产生了如图5所示的
结果，即在中间点上产生一对力，引起测量管轻微的
扭曲或变形。而实际上在振荡运动时是两根S管同时所
受的振荡，其运动方向相反，受力相等，
随着振荡运动的进行，测量管被周期性地分开、靠拢，
科氏力也周期性地作用在两根测量管上，通过安装在测
量管上的位移创按其A、B，测出由科氏力引起的测量管
相对位置的变化，通常转化为测两点的相位差，如图7
所示。这个相位差的大小与质量流量成正比
电磁流量计的基本原理
在磁感应强度为B的均匀磁场中，垂直于磁场方向放一
个内径为D的不导磁管道，当导电液体在管道中以流速
u流动时，导电流体就切割磁力线．如果在管道截面上
垂直于磁场的直径两端安装一对电极(图3—17)则可以
证明，只要管道内流速分布为轴对称分布，两电极之间
也特产生感生电动势：e＝BDV
qv＝ ＝
由上式可见，体积流量qv与感应电动势e和测量
管内径D成线性关系，与磁场的磁感应强度B成
反比，与其它物理参数无关．这就是电磁流量计
的测量原理．
V
须使测量条件满足下列假定：
①磁场是均匀分布的恒定磁场；
②被测流体的流速轴对称分布；
③被测液体是非磁性的；
④被测液体的电导率均匀且各向同性。
(二)励磁方式
1．直流励磁
直流励磁方式用直流电产生磁场或采用永久磁铁，
它能产生一个恒定的均匀磁场．这种直流励磁变
送器的最大优点是受交流电磁场干扰影响很小，
因而可以忽略液体中的自感现象的影响．但是，
使用直流磁场易使通过测量管道的电解质液体被
极化.直流励磁一般只用于测量非电解质液体，如
液态金属等．
2．交流励磁
目前，工业上使用的电磁流量计，大都采用工频
(50Hz)电源交流励磁方式，即它的磁场是由正弦交变
电流产生的，所以产生的磁场也是一个交变磁场．交
变磁场变送器的主要优点是消除了电极表面的极化于
扰．另外，由于磁场是交变的，所以输出信号也是交
变信号，放大和转换低电平的交流信号要比直流信号
容易得多．用交流磁场会带来一系列的电磁干扰问题
．例如正交干扰．同相干扰等.
3．低频方波励磁
直流励磁方式和交流励滋方式各有优缺点，为了充分
发挥它们的优点，尽量避免它们的缺点，70年代以
来，人们开始采用低频方波励磁方式．它的励磁电流
波形如图3—19所示，其频率通常为工频的1／4－l／
10．
图3－19 方波励磁电流波形
方波信号又是一个交变的信号，所以它能克服直流励滋易产
生的极化现象．
优点 :
①能避免交流磁场的正交电磁干扰；
②消除由分布电容引起的工频干扰；
③抑制交流磁场在管壁和流体内部引起的电涡
流；
④排除直流励磁的极化现象．
电磁流量计的安装
①变送器应安装在室内干燥通风处．避免安装在环境温
度过高的地方，不应受强烈振动，尽量避开具有强烈磁
场的设备，如大电机，变压器等．避免安装在有腐蚀性
气体的场合．安装地点便于检修．这是保证变送器正常
运行的环境条件．
②为了保证变送器测量管内充满被测介质，变迭器最好
垂直安装，流向自下而上．尤其是对于液固两相流，必
须垂直安装．若现场只允许水平安装，则必须保证两电
极在同一水平面
③变送器两端应装阀门和旁路．
④电磁流量变送器的电极所测出的几毫伏交流电势，
是以变送器内液体电位为基础的．为了使液体电位稳
定并位变送器与流体保持等电位，以保证稳定地进行
测量，变送器外壳与金属管两端应有良好的接地，转
换器外壳也应接地．接地电阻不能大于10 ，不能与
其它电器设备的接地线共用。如果不能保证变送器外
壳与金属管道良好接触，应用金属导线将它们连接起
来．再可靠接地．
⑤为了避免干扰信号，变送器和转换器之间的信号必
须用屏蔽导线传输．不允许把信号电缆和电源线平行
放在同一电缆钢管内．信号电缆长度一般不得超过30
m．
⑥转换器安装地点应避免交、直流强磁场和振
动，环境温度为—20一50℃，不含有腐蚀性气
体，相对湿度不大于80％．
⑦为了避免流速分相对测量的影响，流量调节
阀应设置在变送器下游．对于小口径的变送器
来说，因为从电极中心到流量计进口端的距离
已相当于好几倍直径D的长度，所以对上游直
管可以不做规定．但对口径较大的流量计，一
般上游应有5D以上的直管段，下游一般不做直
管段要求．
电磁流量计故障类型
运行中产生故障的第一类为仪表本身故障，即
仪表结构件或元器件损坏引起的故障；第二类
为外界原因引起的故障，如安装不妥流动畸变，
沉积和结垢等。
按故障外界源头分析来自三个方面：①管道系
统和安装等方面引起的；②环境方面引起的；
③流体方面引起的。其中第一个方面主要在调
试期表现出来；而后两个方面则在调试期和运
行期均会出现。
一、调试期故障
1．管道系统和安装等方面
通常是电磁流量传感器安装位置不正确引起的故障，常
见的有将流量传感器安装在易积聚潴留气体的管网高点；
流量传感器后无背压，液体径直排入大气，形成其测量
管内非满管；装在自上向下流的垂直管道上，可能出现
排空等原因。
2．环境方面
主要是管道杂散电路干扰，空间电磁波干扰，大电机磁
场干扰等。管道杂散电流干扰通常采取良好单独接地保
护可获得满意测量，但如遇管道有强杂散电流（如电解
车间管道）亦不一定能克服，须采取流量传感器与管道
绝缘的措施。空间电磁波干扰一般经信号电缆引入，通
常采用单层或多层屏蔽予以保护，但也曾遇到屏蔽保护
还不能克服。
3．流体方面
流体含有均匀分布细小气泡通常不影响正常测量，惟
所测得体积流量是液体和气体两者之和时，由于气泡
增大会使输出信号波动，若气泡到流过电极遮盖整个
电极表面，使电极信号回路瞬时断开，输出信号将产
生更大波动。
低频（50/16～50/6Hz）矩形波励磁电磁流量计测量
液体中含有固体超过一定含量时将产生液噪声，输出
信号亦会有一定程度波动。
两种或两种以上液体作管道混合工艺时，若两种液体
电导率（或各自与电极间电位）有差异，在混合未均
匀前即进入流量传感器进行流量测量，输出信号亦会
产生波动。
电极材质与被测介质选配不善，产生钝化或氧化等化
学作用，电极表面形成绝缘膜，以及电化学和极化现
象等，均会妨碍正常测量。
二、运行期故障
经初期调试并正常运行一段时期后，在运行期
间出现的故障，其常见原因有：流量传感器内
壁附着层；雷电击；环境条件变化。
1．内壁附着层
由于电磁流量计测量含有悬浮固相或污脏体的
机会远比其他流量仪表多，出现内壁附着层产
生的故障概率也就相对较高。若附着层电导率
与液体电导率相近，仪表还能正常输出信号，
只是改变流通面积，形成测量误差的隐性故障；
若是高电导率附着层，电极间电动势将被短路；
若是绝缘性附着层，电极表面被绝缘而断开测
量电路。后两种现象均会使仪表无法工作
2 雷电击
雷电击在线路中感应瞬时高电压和浪涌电流，
进入仪表就会损坏仪表。雷电击损坏仪表有三
条引入途径：电源线、传感器与转换器间的流
量信号线和励磁线。然而从雷电故障中损坏零
部件的分析，引起故障的感应高电压和浪涌电
流大部分是从控制室电源线路引入的，其他两
条途径较少。还从发生雷击事故现场了解到，
不仅电磁流量计出现故障，控制室中其他仪表
也常常同时出现雷击事故。因此，使用单位要
认识设置控制室仪表电源线防雷设施的重要性。
3．环境条件变化
主要原因与调试期故障环境方面相似，
只是干扰源不在调试期出现而在运行期
间再介人。例如一台接地保护并不理想
的电磁流量计，调试期因无干扰源，仪
表运行正常，然而在运行期出现新干扰
源，仪表运行正常，然而在运行期出现
新干扰源（例如测量点附近管道或较远
处实施管道电焊）干扰仪表正常运行，
出现输出信号大幅度波动。
靶式流量计
工作原理 ：
当介质在测量管中流动时，因其自身的动能通过阻流
件（靶）时而产生的压差，并对阻流件有一作用力，
其作用力的大小与介质流速的平方成正比 .尤其在小流
量、高粘度、易凝易堵、高温、强腐蚀、强震动等流
量计量困难的工况中具有很好的适应性 .
适用于低速测量，测量小流量时对外界的震
动干扰不敏感 耐500度高温，可测量高温介
质 测量精度高，重复性好，精度可达千分之
二 在大部分情况下，可以测量高粘度流体，
其对流体的粘度变化不敏感 适用于液体以及
气体的测量，对于混合型介质，多相流介质，
一定程度上也可以计量 测量有些介质时，不
会因为流体产生的气旋现象影响计量精度 不
怕管道杂质影响，不怕堵塞 压力损失较小，
只有传统孔板的六分之一，小于涡街，节能
效果明显。
适用于低速测量，测量小流量时对外界的震
动干扰不敏感 耐500度高温，可测量高温介
质 测量精度高，重复性好，精度可达千分之
二 在大部分情况下，可以测量高粘度流体，
其对流体的粘度变化不敏感 适用于液体以及
气体的测量，对于混合型介质，多相流介质，
一定程度上也可以计量 测量有些介质时，不
会因为流体产生的气旋现象影响计量精度 不
怕管道杂质影响，不怕堵塞 压力损失较小，
只有传统孔板的六分之一，小于涡街，节能
效果明显。
涡轮流量计
涡轮流量计的工作原理
在管道中心安放一个涡轮，两端由轴承支撑．当流体
通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，
使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转．在一
定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，涡轮的旋
转角速度与流体流速成正比．由此，流体流速可通过
涡轮的旋转角速度得到，从而可以计算得到通过管道
的流体流量．
涡轮的转速通过装在机壳外的传感线圈来检测
．当涡轮叶片切割由壳体内永久磁钢产生的磁
力线时，就会引起传感线圈中的磁通变化．传
感线圈将检测到的磁通周期变化信号送入前置
放大器，对信号进行放大、整形，产生与流速
成正比的脉冲信号，送入单位换算与流量积算
电路得到并显示累积流量值；同时亦将脉冲信
号送入频率电流转换电路，将脉冲信号转换成
模拟电流量，进而指示瞬时流量值．
流体从机壳的进口流入．通过支架将一对袖承固定
在管中心轴线上，涡轮安装在轴承上．在涡轮上下
游的支架上装有呈辐射形的整流板，以对流体起导
向作用，以避免流体自旋而改变对涡轮叶片的作用
角度．在涡轮上方机壳外部装有传感线圈，接收磁
通变化信号．
(1)涡轮
涡轮由导磁不锈钢材料制成，装有螺旋状叶片．
叶片数量根据直径变化而不同，2－24片不等．为了
使涡轮对流速有很好的响应，要求质量尽可能小．
(2)轴承
涡轮的轴承一般采用滑动配合的硬质合金轴承，
要求耐磨性能好．
由于流体通过涡轮时会对涡轮产生一个轴向推力，使
铀承的摩擦转矩增大，加速铀承磨损，为了消除轴向
力，需在结构上采取水力平衡措施。
磁电转换器国内一般采用磁阻式，它由永久磁钢及外
部缠绕的感应线圈组成．当流体通过使讽轮旋转的，
叶片在永久磁钢正下方时磁阻最小，两叶片空隙在磁
钢下方时磁阻最大，涡轮旅转，不断地改变磁路的磁
通量，使线圈中产生变化的感应电势，送入放大整形
电路，变成脉冲信号．
输出脉冲的频率与通过流量计的流量成正比。
涡街流量计的原理
当流体速度很低时，流体在前驻点速度为零，
随着来流速度增加，圆柱体后半部分的压力梯
度增大，引起流体附面层的分离，如图3—7b
所示．当来流的雷诺数Re再增大，达到40左右
时，由于圆柱体后半部附面层中的流体微团受
到更大的阻滞，就在附面层的分离点S处产生
一对旋转方面相反的对称旋涡．如图3－7c所
示．
在一定的留诺数Re范围内，稳定的卡门涡街的
及旋涡脱落频率与流体流速成正比．
图3－7 圆柱绕涡街产生示意图
卡门涡街的稳定条件
并非在任何条件下产生的涡街都是稳定
的．冯·卡门在理论上已证明稳定的涡
街条件是：涡街两列旋涡之间的距离为
h，单列两涡之间距离为 l ，若两者之
间关系满足 ＝1 ，h / l ＝
时所产生的涡街是稳定的 。
作用在旋涡发生体上的升力．由于旋涡在旋涡
发生体两侧交替发生，且旋转方向相反，故作
用在发生体上的力亦是交替变化的．而流体则
受到发生体的反作用力，产生垂直于铀线方向
的振动，这就是流体振动的原理 。
由此可得流量公式为
qv＝Au＝
从该式可知，流量qv与旋涡脱落频率f在一定雷
诺数范围内成线性关系。因此，也将这种流量
计称为线性流量计。
